综述：手持式与微型化拉曼光谱仪在活体植物观测分析中的应用综述

这篇综述系统阐述了微型化拉曼光谱仪（Raman spectroscopy）在活体植物检测中的前沿进展。作者重点分析了该技术通过分子指纹识别能力实现非破坏性（non-destructive）、快速检测的优势，探讨了其在植物生理研究（如早期胁迫化学信号观测）与农业生产（如实时监测）中的双重价值，并针对痕量物质检测灵敏度提升、荧光干扰规避等挑战提出创新解决方案（如表面增强拉曼散射SERS）。

　　

Introduction:

拉曼光谱技术源于1928年C.V. Raman发现的分子振动-转动能级散射现象。这种通过特定波长光激发分子至虚拟态并发射特征散射光的特性，使其成为具有"分子指纹"识别能力的独特检测手段。相较于传统检测方法，拉曼光谱兼具非侵入性（non-invasive）、快速（<5分钟/样本）和高特异性优势，尤其适合活体植物研究——既能避免机械损伤干扰生理状态，又可实现田间实时监测。

Major advances in miniaturization of Raman spectrometers:

早期拉曼光谱仪依赖体积超0.1 m³的氩离子气体激光器与光电倍增管（PMT），其笨重结构与高功耗严重限制应用场景。微型化突破始于1990年代：半导体激光器取代气体激光器使体积缩减90%，CCD检测器与光纤探头技术则实现光谱采集模块的便携化。现代手持设备重量已低于1.5 kg，分辨率达8 cm^-1，在保持核心性能的同时彻底解放了使用场景。

Application in detecting living plants:

通过"Raman+plant/leaf+handheld"等关键词组合筛选的研究显示，微型设备在活体检测中展现出三大应用维度：

1. 1.

   胁迫响应监测——成功捕捉干旱胁迫下类黄酮（flavonoids）在番茄叶片中的积累动态，灵敏度较传统方法提升3个数量级；

2. 2.

   代谢物原位分析——采用785 nm激光穿透表皮直接检测玉米活体维管束中蔗糖浓度，误差范围<5%；

3. 3.

   病原体早期诊断——基于SERS增强效应实现小麦锈病潜伏期菌丝体的超早期（接种后24小时）检出。

Increasing detection sensitivity of trace substances:

为突破手持设备灵敏度瓶颈，研究者开发出三类创新方案：

• •

  微型化高性能组件：如采用体积仅5 cm³的体相位光栅（VPG）将分辨率提升至4 cm^-1；

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  原位增强技术：金纳米星（Au nanostars）修饰的探针使活体叶片中脱落酸（ABA）检测限降至10^-9 M；

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  智能算法补偿：卷积神经网络（CNN）模型有效校正便携设备与台式机的光谱偏差（R²>0.95）。

Conclusions:

当前微型拉曼技术仍面临荧光干扰（约30%植物样本会产生强背景信号）、活体SERS探针植入损伤等挑战。未来发展方向聚焦于：① 开发1064 nm长波长激光系统降低叶绿素荧光干扰；② 设计可生物降解的纳米增强基底；③ 结合人工智能实现光谱自动解卷积。这些突破将使活体植物检测真正走向田间化与智能化。